Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Các nhà vật lý hạt nhân đã thực hiện một thí nghiệm vật lý sử dụng các kỹ thuật mới để nghiên cứu bản chất và nguồn gốc của các nguyên tố nặng trong vũ trụ.
Một bí ẩn đã tồn tại từ lâu trong lĩnh vực vật lý hạt nhân là lý do tại sao vũ trụ bao gồm các vật liệu cụ thể mà chúng ta thấy xung quanh chúng ta. Nói cách khác, tại sao nó được làm từ những thứ “này” mà không phải những thứ khác?
Cụ thể đáng quan tâm là các quá trình vật lý chịu trách nhiệm sản xuất các nguyên tố nặng – như vàng, bạch kim và urani – được cho là xảy ra trong các vụ sáp nhập sao neutron và các sự kiện sao nổ.
Các nhà khoa học thuộc Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) đã chỉ đạo một thí nghiệm vật lý hạt nhân quốc tế được thực hiện tại CERN, Tổ chức nghiên cứu hạt nhân châu Âu, sử dụng các kỹ thuật mới được phát triển tại Argonne để nghiên cứu bản chất và nguồn gốc của các nguyên tố nặng trong vũ trụ. Nghiên cứu có thể cung cấp những hiểu biết quan trọng về các quá trình phối hợp với nhau để tạo ra các hạt nhân kỳ lạ, và nó sẽ thông báo cho các mô hình về các sự kiện sao và vũ trụ sơ khai.
Các nhà vật lý hạt nhân trong sự hợp tác là những người đầu tiên quan sát cấu trúc vỏ neutron của hạt nhân có ít proton hơn chì và hơn 126 neutron – “số ma thuật” trong lĩnh vực vật lý hạt nhân.
Ở những con số ma thuật này, trong đó 8, 20, 28, 50 và 126 là các giá trị chính tắc, hạt nhân đã tăng cường sự ổn định, giống như các loại khí cao quý làm với vỏ điện tử kín. Các hạt nhân có neutron trên số ma thuật 126 phần lớn chưa được khám phá vì chúng khó sản xuất. Kiến thức về hành vi của họ là rất quan trọng để hiểu được quá trình bắt neutron nhanh, hay quá trình r , tạo ra nhiều nguyên tố nặng trong vũ trụ.
Quá trình r được cho là xảy ra trong các điều kiện sao cực đoan như sáp nhập sao neutron hoặc siêu tân tinh. Những môi trường giàu neutron này là nơi các hạt nhân có thể phát triển nhanh chóng, bắt giữ các neutron để tạo ra các nguyên tố mới và nặng hơn trước khi chúng có cơ hội phân rã.
Thí nghiệm này tập trung vào đồng vị thủy ngân 207 Hg. Nghiên cứu về 207 Hg có thể làm sáng tỏ về các thuộc tính của các nước láng giềng gần gũi của nó, hạt nhân trực tiếp tham gia các khía cạnh quan trọng của r -process.
“Một trong những câu hỏi lớn nhất của thế kỷ này là làm thế nào các nguyên tố hình thành từ đầu vũ trụ”, nhà vật lý học Ben Kay, nhà khoa học của Argonne, nhà nghiên cứu chính của nghiên cứu cho biết. “Thật khó để nghiên cứu vì chúng ta không thể đào một siêu tân tinh ra khỏi trái đất, vì vậy chúng ta phải tạo ra những môi trường khắc nghiệt này và nghiên cứu các phản ứng xảy ra trong chúng.”
Để nghiên cứu cấu trúc của 207 Hg, trước tiên các nhà nghiên cứu đã sử dụng cơ sở HIE-ISOLDE tại CERN ở Geneva, Thụy Sĩ. Một chùm proton năng lượng cao được bắn vào một mục tiêu chì nóng chảy với các vụ va chạm tạo ra hàng trăm đồng vị kỳ lạ và phóng xạ.
Sau đó, họ tách hạt nhân 206 Hg khỏi các mảnh khác và sử dụng máy gia tốc HIE-ISOLDE của CERN để tạo ra chùm hạt nhân có năng lượng cao nhất từng đạt được tại cơ sở máy gia tốc đó. Sau đó, họ tập trung chùm tia vào một mục tiêu đơteri bên trong Máy quang phổ kế điện từ ISOLDE mới (ISS).
Không có cơ sở nào khác có thể tạo ra các chùm thủy ngân của khối lượng này và tăng tốc chúng đến những năng lượng này. Điều này, cùng với khả năng phân giải vượt trội của ISS, cho phép các nhà khoa học lần đầu tiên quan sát phổ của các trạng thái kích thích trong 207 Hg.
ISS là một quang phổ kế từ tính mới được phát triển mà các nhà vật lý hạt nhân đã sử dụng để phát hiện các trường hợp hạt nhân 206 Hg bắt giữ một neutron và trở thành 207 Hg. Nam châm điện từ của máy quang phổ là một nam châm MRI siêu dẫn 4 Tesla tái chế từ một bệnh viện ở Úc. Nó đã được chuyển đến CERN và được cài đặt tại ISOLDE nhờ vào sự hợp tác do Vương quốc Anh đứng đầu giữa Đại học Liverpool, Đại học Manchester, Phòng thí nghiệm Daresbury và các cộng tác viên từ KU Leuven ở Bỉ.
Deuterium, một đồng vị nặng hiếm của hydro, bao gồm một proton và neutron. Khi 206 Hg bắt được một neutron từ mục tiêu deuterium, proton sẽ quay trở lại. Các proton phát ra trong các phản ứng này truyền đến máy dò trong ISS, và năng lượng và vị trí của chúng mang lại thông tin chính về cấu trúc của hạt nhân và cách nó liên kết với nhau. Các tính chất này có tác động đáng kể đến r -process, và kết quả có thể thông báo cho các tính toán quan trọng trong mô hình vật lý thiên văn hạt nhân.
ISS sử dụng một khái niệm tiên phong được đề xuất bởi Argonne John Schiffer, người được phân biệt, được xây dựng như máy quang phổ quỹ đạo xoắn ốc của phòng thí nghiệm, HELIOS – thiết bị truyền cảm hứng cho sự phát triển của máy quang phổ ISS. HELIOS đã cho phép thăm dò các tính chất hạt nhân mà trước đây không thể nghiên cứu, nhưng nhờ có HeliOS, đã được thực hiện tại Argonne từ năm 2008. Cơ sở ISOLDE của CERN có thể tạo ra các chùm hạt nhân bổ sung cho các hạt nhân có thể được tạo ra tại Argonne.
Trong thế kỷ qua, các nhà vật lý hạt nhân đã có thể thu thập thông tin về hạt nhân từ nghiên cứu về sự va chạm trong đó các chùm ion nhẹ chạm vào các mục tiêu nặng. Tuy nhiên, khi các chùm nặng chạm vào các mục tiêu nhẹ, vật lý của vụ va chạm trở nên méo mó và khó phân tích hơn. Khái niệm HeliOS của Argonne là giải pháp để loại bỏ sự biến dạng này.
“Khi bạn có một quả đạn đại bác bắn trúng mục tiêu mỏng manh, sự thay đổi động học và quang phổ kết quả bị nén lại”, Kay nói. “Nhưng John Schiffer nhận ra rằng khi va chạm xảy ra bên trong nam châm, các proton phát ra di chuyển theo mô hình xoắn ốc về phía máy dò và bằng một ‘mẹo’ toán học, điều này mở ra lực nén động học, dẫn đến phổ không nén cho thấy hạt nhân bên dưới kết cấu.”
Các phân tích đầu tiên của dữ liệu từ thí nghiệm Cern đã xác nhận dự đoán lý thuyết của các mô hình hạt nhân hiện tại và nhóm dự định nghiên cứu các hạt nhân khác trong khu vực 207 Hg bằng cách sử dụng các khả năng mới này giúp hiểu sâu hơn về các vùng vật lý hạt nhân chưa biết và r- process.
Ngoài việc tiến hành thí nghiệm tại CERN, các nhà khoa học của Argonne đã thông báo về thiết kế của ISS, trang bị máy quang phổ với máy dò HeliOS và thiết bị điện tử thu thập dữ liệu của họ.
Kay cũng tham gia vào việc phát triển một máy quang phổ điện từ khác tại Cơ sở do DOE tài trợ cho chùm tia đồng vị hiếm (FRIB) tại Đại học bang Michigan, được gọi là SOLARIS, đóng góp chuyên môn về vật lý hạt nhân cho một sự hợp tác xuyên tổ chức khác.
Kết quả của nghiên cứu này đã được công bố trong một bài báo có tiêu đề “Khám phá đầu tiên về cấu trúc vỏ neutron bên dưới chì và vượt quá N = 126” vào ngày 13 tháng 2 trong Thư đánh giá vật lý . Nghiên cứu được tài trợ bởi Văn phòng Vật lý hạt nhân của DOE, Hội đồng Cơ sở Khoa học và Công nghệ Vương quốc Anh và Hội đồng Nghiên cứu Châu Âu.
Nguồn truyện:
Tài liệu được cung cấp bởi Phòng thí nghiệm quốc gia DOE / Argonne . Bản gốc được viết bởi Savannah Mitchem. Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Tạp chí tham khảo :